反应工程第二章201311课件

第三章理想流动反应器化学反应器的分类按物料的聚集状态1按反应器的结构2按操作方式3均相反应器：气相（石油气裂解）、互溶液相（醋酸和乙醇的酯化反应）非均相反应器：气液相（乙烯和苯反应生成乙苯）气固相、液固相液液相、固固相气液固三相1.按物料的聚集状态间歇操作反应器反应器2.按操作方式连续操作反应器搅拌附件◆

挡板挡板的作用是避免旋涡现象，增大被搅拌液体的湍流程度，将切向流动变为轴向和径向流动，强化反应器内液体的对流和扩散，改善搅拌效果。

搅拌反应器的挡板结构列管式催化反应器

30°C

100°C25mm

25000tubesReactorfeed

Coolant基本结构:由一根或多根管子串联或并联构成的反应器，长度与直径比大于５０～１００,主要用于气固相反应。间歇反应器平推流反应器全混流反应器连续流动反应器完全没有返混返混极大(a)(b)(c)第三章理想流动反应器3.1流动模型概述第三章理想流动反应器3.1.1反应器中流体的流动模型一、理想流动模型（1）活塞流模型（2）全混流模型年龄寿命返混（不同年龄质点间的混合）（2）全混流模型

假设：反应物料以稳定流量流入反应器，在反应器中，刚进入的新鲜物料与存留在反应器中的物料瞬间达到完全混合。特点：反应器中所有空间位置的物料参数都是均匀的，而且等于反应器出口处的物料性质，物料质点在反应器中的停留时间参差不齐，有的很长，有的很短，形成一个停留时间分布。年龄反应物料质点从进入反应器算起已经停留的时间；是对仍留在反应器中的物料质点而言的。寿命反应物料质点从进入反应器到离开反应器的时间；是对已经离开反应器的物料质点而言的。流动模型相关的重要概念返混：又称逆向返混，不同年龄的质点之间的混合。是时间概念上的混合

BSTRPFRCSTR1投料一次加料(起始)连续加料(入口)连续加料(入口)2年龄年龄相同(某时)年龄相同(某处)年龄不同3寿命寿命相同(中止)寿命相同(出口)寿命不同(出口)4返混全无返混全无返混返混极大反应器特性分析

二.非理想流动模型短路、沟流停留时间减少转化率降低死区、再循环停留时间过长A+B→P：有效反应体积减少A+B→P→S产物P减少→停留时间的不均沟流滞留短路非理想流动(a)(b)(c)(a)(b)(c)偏离活塞流的几种情况涡流湍流漩涡流速不均匀沟流短路死角3.1.2

反应器设计的基本方程反应器设计的基本内容反应器设计的基本方程选型工艺条件体积物料衡算方程热量衡算方程动量衡算方程入量=出量+反应量+积累量入热=出热+反应热+传热+积累量间歇釜式反应器基本结构：①釜体②换热装置③搅拌装置釜式反应器换热装置蛇管结构常用搅拌器及流型示意

釜式反应器3.2理想流动反应器3.2.1

间歇反应器特点：

1.由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀，且反应器内浓度处处相等；2.具有足够强的传热条件，温度始终相等，无需考虑器内的热量传递问题；3.物料同时加入并同时停止反应，所有物料具有相同的反应时间。优点：操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产

缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定间歇反应器3.2理想流动反应器3.2.1

间歇釜式反应器数学描述反应时间辅助时间0流入量=流出量+反应量+累积量0图解积分示意图t/cA0[rA]-1xxAfxA0t[rA]-1CACA0CAf

一级不可逆反应1st.OrderReaction（irreversible）实际操作时间=反应时间(t)+辅助时间(t’)反应体积VR是指反应物料在反应器中所占的体积

VR=V(t+t’)据此关系式，可以进行反应器体积的设计计算

FP为单位时间的产品产量

CPf为反应终了时的产物浓度间歇反应器的数学描述反应级数反应速率残余浓度式转化率式n=0n=1n=2n级n≠1理想间歇反应器中整级数单反应的反应结果表达式C0tdcdtCn=1n=2n=0Reactionrater:reactionprogressasafunctionofthereactionordern

tangentk增大(温度升高）→t减少→反应体积减小讨论：间歇反应器中的单一反应2.反应初始浓度的影响1.k的影响零级反应：t与初浓度CA0正比一级反应：t与初浓度CA0无关二级反应：t与初浓度CA0反比3.残余浓度零级反应：残余浓度随t直线下降一级反应：残余浓度随t逐渐下降二级反应：残余浓度随t慢慢下降反应后期的速度很小；反应机理的变化4.放大；t与VR是否有关[例3-1]

以醋酸（A）和正丁醇（B）为原料在间歇反应器中生产醋酸丁酯，操作温度为100℃，每批进料1

kmol

的A和4.96

kmol的B，已知反应速率,试求醋酸转化率分别为0.5、0.9、0.99时所需的反应时间。已知醋酸与正丁醇的密度分别为和解对1kmolA而言，投料情况如下表：醋酸（A）正丁醇（B）1

kmol4.96kmol60kg368kg60/960=0.0625368/740=0.496该反应为液相反应，反应过程中体积不变，且每次投料体积V=0.0625+0.496=0.669将0.5、0.9、0.99分别代入计算可得

一.特点：连续定态下，各个截面上的各种参数只是位置的函数，不随时间而变化；径向速度均匀，径向也不存在浓度分布；反应物料具有相同的停留时间。反应结果由动力学决定3.2.2平推流反应器（PFR）Tubereactor裂解炉用于乙烯生产的管式裂解炉V0CA0CAfxAfxA0=0v0cA0(1-xA)v0cA0(1-xA-dxA)rAdVRdVRxAxA+dxA二.平推流反应器计算的基本公式：流入量=流出量+反应量+累积量0二.平推流反应器计算的基本公式：BSTR与PFR的等效性分析：平推流反应器中实现过程连续化时，本身并未得到强化，连续化只节省了辅助时间，提供了操作和控制的方便。积分时考虑：反应等温否；分子数变化否S=（）反应级数反应速率反应体积转化率级等温恒容活塞流反应器计算式3-3全混流反应器反应器内物料的浓度和温度处处相等，且等于反应器流出物料的浓度和温度。V0CA0V0CAfCAf

全混流反应器流入量=流出量+反应量+累积量0进口中已有A取整个反应器为衡算对象全混流反应器全混流反应器τ的图解积分(对比右图的PFR图解积分)CA0CACAfCACA0CAf平推流反应器与全混流反应器的比较[例3－2]生化工程中酶反应A→R为自催化反应，反应速率式rA=kcAcR，某温度下k=1.1512m3/(kmol.min)，采用的原料中含A0.99kmol/m3，含R0.01kmol/m3,要求A的最终浓度降到0.01kmol/m3，当原料的进料量为10m3/h时，求：（1）反应速率最大时，A的浓度为多少？（2）采用CSTR，反应器体积是多大？（3）采用PFR，反应器体积是多大？（4）组合方式的最小反应器体积。解：CArA00.51.0CA0CAf(1)显然，CA=0.5kmol/m3时，速率达最大值。(2)CSTR(3)PFR1/rACACA0CAf1/rACACA0CAf1/rACACA0CAf(4)CSTR+PFR：最优组合CAm组合反应器的总体积=0.216m3+0.507m3=0.723m3回顾CSTR和PFR两种图解CACACA0CAfCA0CAf间歇活塞流反应器全混流反应器间歇活塞流反应器全混流反应器00自催化反应全混流+活塞流反应器活塞流+全混流反应器反应物浓度分布间歇活塞流反应器全混流活反应器StirredTankCascadeCA0CAfCAxposition321450CA*CA1CA2CA3CA4一、多级混流反应器的浓度特征3-6多级全混流反应器的串联及优化3.6

多级全混流反应器的串联及优化

多级全混流反应器串联的计算（1）多级全混流反应器串联的推动力反应器的轴向长度多级全混流反应器的推动力3-6多级全混流反应器的串联及优化

二、多级全混流反应器串联的计算1.解析计算VR1CA1CAmCAiCAi-1CA2VRmVR2VRiVRi-1CA0CAmV0V0V0V0V0V0CAiCAi-1CA2CA13-6多级全混流反应器的串联及优化

二、多级全混流反应器串联的计算CAi-1CAiVRiCAi3-6多级全混流反应器的串联及优化

二、多级全混流反应器串联的计算一级不可逆反应3-6多级全混流反应器的串联及优化

二、多级全混流反应器串联的计算因为等比数列3-6多级全混流反应器的串联及优化

二、多级全混流反应器串联的计算工业上，多级CSTR串联（层叠）时，往往将各级CSTR的体积做成相等，以便于制造。即：这时，就有可求得反应系统的总体积3-6多级全混流反应器的串联及优化

二、多级全混流反应器串联的计算2.图解计算对非一级反应，必须逐釜计算。计算比较麻烦：这时，可采用图解法：-1/CA1CA0CArAf(CA)图解法原理CA12.图解计算GraphicalConstructionforaCSTR-Cascade等温、等体积情况的图解计算-1/cA1cA0cArAf(CA)cA3cA2cA3f(CA)三、多级CSTR串联的优化设计CSTR的串联时会遇到如何分配各级转化率的问题。当串联的级数确定后，可以合理分配各级的转化率，使所需的总反应体积最小。上式中，x1，x2……xm-1共m-1个变量是设计时可以变动的。优化问题是：当这m-1个变量取何值时，VR达到其最小值。三、多级CSTR串联的优化解这个最优化问题的数学方法在理论上是熟知的：从以上共m-1个方程，可解出m-1个待定量(x1

，x2……xm-1)三、多级CSTR串联的优化解一级不可逆反应的优化例子两边同时乘以V0/k多级全混流反应器串联的优化讨论一级不可逆反应的情况，m个全混流反应器对于一级不可逆反应，多级全混流串联时，要保证总的反应体积最小，条件是各釜的反应体积相等[例2-9]在两级串联全混流反应器中进行己二酸与己二醇的缩聚液相反应，反应物料中己二酸（A）与己二醇（B）按等摩尔比配成，反应速率速率常数，加料速率为，反应物浓度为，反应持续在70℃等温条件下进行，A的转化率为0.875，试求（1）两个全混流反应体积相同，（2）两个全混流总体积最小这两种情况下的反应器体积。解（1）两个等体积全混流反应器串联。此时，即由可得解之可得故总反应体积（2）两个全混流反应器总体积最小令可得所以故总反应体积例：用两只串联的全混流反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天产乙酸乙酯12000kg，其化学反应式为原料中反应组分的质量比为A:B:S=1:2:1.35，反应液的密度为1020kg/m3，并假定在反应过程中不变。反应在100℃下等温操作，其反应速率方程为已知100℃时，k=4.76×10-4L/（mol·min），平衡常数K=2.92。试计算乙酸转化35%时，所需的反应总体积。（1）两只CSTR体积相等，（2）优化的情况。解：前已求得其中：a=2.61

b=－5.15

c=0.6575

k=4.76×10-4L/（mol·min），

（1）设第一釜转化率为xA1，根据题设：τ1＝τ2可解得：xA1=0.2264（已经舍去了不合理值）代入τ1式中，得VR1=V0τ1＝6.036m3于是，总反应体积VR＝12.072m3（2）优化的情况令解得：xA1=0.2191(已舍去不合理值）代入，可求得VR1＝5.390m3

VR2＝5.487m3故反应总体积为VR＝10.88m3例题中五种反应器体积比较BSTR：VR＝12.68m3PFR：VR＝8.227m3CSTR：VR＝14.68m3CSTR+CSTR（相等体积）:VR＝12.07m3CSTR+CSTR（最优体积）:VR＝10.88m3各类理想反应器（组合）的内在统一性3-7理想反应器的组合与反应器体积比较一、理想反应器的组合一、理想反应器的组合理想流动反应器的组合与反应体积比较

理想流动反应器的组合（a)两个全混流反应器并联（a)（b)两个全混流反应器串联（b)（c)活塞流反应器与全混流反应器串联（c)V0（d)全混流反应器与活塞流反应器串联（d)（e)两个活塞流反应器并联（f)两个活塞流反应器串联（g)活塞流反应器与全混流反应器并联（e)（f)（g)[例2-10]

两个等体积的活塞流或全混流反应器按上面的七中组合，在等温下进行一级不可逆反应，反应速率，活塞流反应器与全混流反应器的接触时间均为1min，计算其最终转化率。解（a)两个全混流反应器并联，（b)两个全混流反应器串联，（c)与（d)全混流反应器与活塞流反应器串联，（e)与（f)两个活塞流反应器并联或串联，（g)活塞流反应器与全混流反应器并联，[例2-11]

等体积的活塞流与全混流反应器串联，在等温下进行二级不可逆反应，反应速率活塞流与全混流反应器的接触时间均为1min，计算其最终反应率。解（1）若活塞流反应器在前，全混流反应器在后，此时，第一反应器出口第二反应器出口（2）若全混流反应器在前，活塞流反应器在后，此时，第一反应器出口第二反应器出口可见对二级不可逆反应，（c)、(d）两种组合的最终转化率是不同的，在本题情况下，活塞流反应器在前优先于全混流反应器在前理想流动反应器的组合与反应体积比较理想流动反应器的组合工业生产中的应用某个真实反应器的模型二、理想流动反应器的体积比较

单一反应动力学：“正常”动力学，“反常”动力学，带有最大值的动力学。不同的动力学结论不同，甚至截然相反。

1/rA

FPR

1/rA

CSTR

CSTRCASCADE

1/rAxAxAxA1/rACACA0CAfCSTR+PFR：最优组合CAmn>1n=1n=0多级全混流反应器串联---图示各级反应体积不同二、理想流动反应器的体积比较若干重要影响因素：（a）转化率：转化率越高，体积差别越大（b）反应级数：级数越高，体积差别越大（c）串联级数：级数越多，体积差别越小（d）膨胀率（因子）：膨胀越大，则返混影响越大，体积差别也就越大。组成一座化工厂100根并联活塞流反应器1000根并联活塞流反应器3-9全混流反应器的热稳定性热稳定性：反应温度上升反应速率加快放热速率增大全混流反应器多态放热速率移热速率冷却介质温度进料温度QR或QC全混流反应器的放热与移热曲线（不可逆反应）QR

或QC全混流反应器的放热及移热曲线（可逆反应）QR

或QC1.00逗留时间t(a)分布函数F（t)1.00逗留时间t(b)分布密度E（t)3-8理想流动反应器中多重反应选择率平行反应L(主反应)M(副反应)AL(主反应)M(副反应)A+B对比速率瞬时选择率关键组分反应物的总反应速率中向主产物转化的分率。3－8理想流动反应器中多重反应的选择率选择性的要求往往比速率要求更重要。一、平行反应瞬时选择率：关键组分反应物的总反应速率中向主产物转化的分率。对比速率理想流动反应器中多重反应选择率全混流反应器全混流时s为常数根据积分中值定理得平推流反应器总选择率3－8理想流动反应器中多重反应的选择率abx总选择速率3－8理想流动反应器中多重反应的选择率（1）选择率的温度效应E1>E2T升高→选择率增大E1<E2T降低→选择率增大E1=E2选择率与温度无关升高温度，对活化能高的反应有利降低温度，对活化能低的反应有利（2）选择率的浓度效应n1>n2CA升高→选择率增大n1<n2CA降低→选择率增大n1=n2选择率与CA无关设置较高的CA：PFR（BR）；高浓度的原料；较低的转化率。设置较低的CA：CSTR；低浓度原料（或稀释，或物料循环）；较高的转化率（3）平行反应加料方式的选择

n1>n2m1>m2CA高CB高n1<n2m1<m2CA低CB低n1>n2m1<m2CA高CB低加料方式：间歇系统BABABCACBbothhighCACBbothlowCAhighCBlowAddAandBallatonetimeAddAandBsolwly;levelrisesStartwithAaddBslowly加料方式：连续系统CACBbothhighCACBbothlowCAhighCBlowContactingpatternsforvariouscombinationsofhighandlowConcentrationofreactantsincontinuousflowoperationsBAABBAABBBBA二、连串反应1.连串反应的选择率3-8理想流动反应器中多重反应的选择率一级连串反应组分A:

单调下降；产物L:

先升后降，有极大值；产物M:

单调上升连串反应的最佳反应时间与最大收率产物的收率定义为对于间歇或平推流反应器

主产物最大出口浓度最大收率最大收率与初始浓度无关全混流反应器一级不可逆连串反应，不论采用哪一种反应器，主产物最大收率与反应物初浓度无关，只与k2/k1的比值有关。全混流反应器最佳反应时间最大出口浓度最大收率3-8理想流动反应器中多重反应的选择率平推流(b)全混流xA,k2/k1相同时，BSTR和PFR比CSTR好k2/k1<<1,低转化率下操作k2/k1>>1,高转化率下操作3-8理想流动反应器中多重反应的选择率流动类型对反应结果的影响(a)对反应液整体均匀照射(b)对小部分反应液照射辐射能量相同一级不可逆连串反应，不论采用哪一种反应器，主产物最大收率与反应物初浓度无关，只与k2/k1的比值有关。全混流反应器最佳反应时间最大出口浓度最大收率

理想流动反应器中多重反应的选择率平推流(b)全混流xA,k2/k1相同时，BSTR和PFR比CSTR好k2/k1<<1,低转化率下操作k2/k1>>1,高转化率下操作3-8理想流动反应器中多重反应的选择率流动类型对反应结果的影响(a)对反应液整体均匀照射(b)对小部分反应液照射辐射能量相同

理想流动反应器中多重反应的选择率L为主产物1.温度效应2.浓度效应若E1>E2,则在较高温度下进行若E1<E2,则在较低温度下进行若E1=E2,温度变化对选择性无影响若n1>n2,增加初浓度CA0若n1<n2,降低初浓度CA0若n1=n2,初浓度的变化对选择性无影响3.转化率CL/CA随xA的增大而增大L的瞬时选择性下降转化率过高，选择性降低工业上分离再循环理想流动反应器中多重反应的选择率3.流动类型的影响对于不可逆的连串反应且以反应的中间物为目的产物时，返混总是对选择性不利左左右左反应器选型、设计和优化反应器中的流动状况影响反应结果数学模型流动模型对实际过程的简化理想模型非理想模型建立模型的基本方法理想气体状态方程第三章理想流动反应器1－6解题提示：根据题给的表面反应机理，活性中心只被丁烯和丁二烯占据，而氢气则没有占据活性中心，因此：空位率（θ0）＝1－丁烯占有率－丁二烯占有率所以，加式中只有两项。此外，反应控制时，速率方程应该写成：作业订正1－4：复合反应。此题最佳温度指选择率最大时的温度。反应速率常数关于活化能有两个基本结论：一，活化能越高，反应速率